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QIS(量子图像传感器)与QDIS(量子点图像传感器)的技术路线有何不同?能大规模商用吗?

时间:2021-06-04 作者:赵娟 阅读:
我认为最大的性能突破在于在室温下不需要利用电子雪崩效应实现精准的单光子探测和光子计数,在实现千万高像素的同时不影响功耗和画幅帧数。
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近日,Gigajot Technology公司发布了首批量子图像传感器(Quanta Image Sensor,QIS)产品,有人认为这标志着固态成像新时代的到来,有望取代传统的CMOS图像传感器。

其实早在2011年左右Eric Fossum教授(也是Gigajot的联合创始人)刚刚发布量子传感器的研究时,有人认为5年内手机就会用上量子图像传感器,CMOS或将成为历史,现在回过头来看这个预测还是过于乐观了一些。

对消费级量子图像传感器有兴趣的朋友,或许还会记得早在2017年的时候,苹果收购了号称替代CMOS的量子薄膜摄像头厂商InVisage Technology,试图开发自己的相机模块。

InVisae是宣称采用量子薄膜(QuantumFilm)、而不是硅材料来捕捉光线的图像传感器厂商,推出的是量子点图像传感器(Quantumdotimaesensor,QDIS),而恰巧我在2015年还代表EDN参观过InVisae在台湾的工厂,当时InVisage的传感器得到很大的关注,但2017年被苹果收购后似乎就销声匿迹了。

虽然苹果始终没有公开过相关的技术进展,但业界还是认为“苹果决定停止开发量子点图像传感器,因为它对于大规模生产来说太贵了。”一些蛛丝马迹也验证了该消息的可靠性,例如InVisage的CEO在2017年7月到2019年1月之间在苹果公司从事了一段时间“特殊项目的并购整合”后,也离开了苹果。

自此量子薄膜摄像头就再也没有过消息露出。这是连苹果都放弃了的技术路线吗?此次Gigajot推出的QIS是否是基于同样的技术路线?这批小批量商业化的QIS能否获得商业市场的接纳?

QIS与QDIS的不同技术路线

EDN记者联系到了Gigajot公司的CTO Jiaju Ma,他指出“我们做的QIS和Invisage所做的Quantum dot是基于完全不同的技术概念。Quantum dot主要的创新在于新材料,新工艺,而我们的创新是基于CMOS传统工艺,但在半导体仪器和电路的设计上实现了革新与突破。”

【注:Gigajot 由研究人员 Saleh Masoodian (CEO)和 Jiaju Ma(CTO)在新罕布什尔州Dartmouth College的 Thayer 工程学院分拆出来后共同创立。Gigajot 团队早在 2017 年公司成立之前就发明并开发了量子图像传感器 (QIS)。】

关于QIS的概念早在2005年就有提出,但真正的研究始于2011年Gigajot的创始团队在Dartmouth College开展的博士研究。

Gigajot是第一个把QIS产品化的公司,但Ma仍然向EDN分享了在学术界其他做类似研究与开发的团队,“比如瑞士的EPFL的团队在做基于SPAD的QIS,荷兰University of Delft有团队在做相似概念的极低噪声的图像传感器。在近期Hamamastu(日本滨松)也推出了类似QIS概念的相机产品。”

此次Gigajot推出的量子图像传感器的一个重要的突破是,可以在室温下实现精准光子计数。“我认为最大的性能突破在于在室温下不需要利用电子雪崩效应实现精准的单光子探测和光子计数,在实现千万高像素的同时不影响功耗和画幅帧数。光子是光信号的最小单元,能准确的计量光子代表在极暗光照条件下也能实现高质量的成像。”Ma向EDN指出。

以往,光子计数和可靠的光子数分辨(PNR),在高度受控的实验室环境中只有利用深度制冷EMCCD技术才能部分实现,而现在Gigajot可以使用在室温下工作的紧凑型量子相机就能实现,并具有更高的分辨率和速度。

针对这一突破,罗彻斯特理工学院探测器中心和未来光子计划主任Don Figer的评价是:“在室温下进行光子计数的能力,改变了我们在天体物理学和量子信息科学方面的研究工作的游戏规则(game changer)”。

在判定量子图像传感器商用前景之前,我们先了解一下该技术原理。

什么是量子图像传感器(QIS)

传统的 CMOS 图像传感器通过使用光电二极管和光电晶体管将入射光转换为电信号来工作,然后这些信号被放大并通过软件转换成像素。传统的图像传感器最大缺点之一是传感器内部噪声过大。 

在低照度条件下,光子产生的电信号极弱,从而会被传感器的内部噪声覆盖而无法被准确地呈现。

量子图像传感(Quanta Image Sensor,QIS)是不同的。

量子图像传感利用创新的半导体仪器设计在每个像素元件中实现了极小的输出电容,从而极大地放大了每个光子产生的电信号。

由于这种极高的信号放大率,与CMOS传感器相比,量子图像传感器的相对噪声降低了5到10倍,从而在室温条件下实现了准确的单光子探测和光子数分辨。

图:QIS成像过程。QIS的基本成像原理由彩色滤波器阵列、光子泊松分布、读取噪声和模数转换器(ADC)组成。 

QIS能以比其他CMOS技术更高的保真度在更小的像素架构中记录低光环境。

QIS芯片内的最小单元称为“映像点(jots)”——这或许也是Gigajot得名的原因,而不是“像素(pixels)”,每个映像点(jots)都可以探测到单个光子。

第一代QIS原型由Ma及Gigajot的创始团队于2017年发表。但是,QIS之前仅限于实验室设置。 

此次推出的两款图像传感器是世界上第一个商用的可实现室温光子计数的CMOS图像传感器。这些传感器声称具有行业领先的暗电流和读取噪声参数规范,这对低照度成像和高动态范围成像至关重要。

Gigajot两款量子图像传感器的性能

这批基于CMOS的量子图像传感器采用Gigajot专利传感器结构和像素设计,实现了低噪声,从而能够准确探测单个光子。在室温下以全速工作状态进行光子计数,并具有高动态范围。

与传统的小像素CMOS图像传感器相比,这批量子图像传感器的读出噪声性能提升了5~10倍,可实现以前无法实现的超低照度成像,可以面向高性能成像应用,例如科学、医疗、国防、工业和航天。

1600万像素的GJ01611产品采用1.1微米像素,实现室温下0.19电子(e-)的读出噪声和0.09电子/像素/秒(e-/pix/s)的暗电流,而另外一款400万像素GJ00422产品采用2.2微米像素,实现0.27e-的读出噪声,单次曝光高动态范围为100dB。

图:来自具有 0.12 e-rms 读取噪声和 2.3 e-/像素平均信号电平的像素的光子计数直方图,显示出明显离散的光电子数。传感器数据与理论泊松-高斯模型非常匹配。

利用先进的堆叠式CMOS背照式(BSI)传感器工艺技术,量子图像传感器能够在室温下进行光子计数,而无需复杂的冷却系统,能在更小的像素尺寸下具有更高的灵敏度,并且比正面照明制造效率更高。

图:QIS产品在0.01lux的极低照度条件下彩色样图。图片来自Ma等人。

此外,单次曝光高动态范围减轻了由传统的多曝光HDR技术产生的运动伪影。

Gigajot相机开发工具套件(QIS CDK)支持GJ01611和GJ00422两款产品评估和相机开发。QIS CDK现已上市,具有SuperSpeed USB 3.0接口和用户友好的软件,并且外形小巧。

 

QIS CDK具有“开箱即用”的真正光子计数功能,可在数分钟内完成设置,以进行评估或直接整合到客户系统中。

产、工艺、及目标应用

QIS现在处于小规模量产阶段,所用工艺为TSMC stacked CMOS image sensor 工艺。

QIS生产所用的工艺与传统的CIS十分类似,所以生产的成本并没有差距。通常,产品价格还取决于具体的应用领域和生产量。 

“半导体芯片的制造成本往往与生产量直接挂钩,目前推出的产品主要用于高性能小众应用,因为相比消费级电子生产量小,成本也较高,这一点与同级别的CIS产品类似。”Ma表示。

“那QIS会用于消费电子,如手机吗?”这是我提出的最后一个问题。

“我认为最终QIS会用于民用消费电子,例如手机。现有的技术和性能可被转化到民用级别的消费电子产品中,因为生产量量很大,成本自然会降低到与同级别的CIS类似,同时提供卓越的夜光照相和高动态范围性能。”Ma表示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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赵娟
ASPENCORE中国区总分析师。
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